Почему «маяки» дальнего космоса обычно UHF, настолько низкие (по частоте), что DSN их не слышит? И насколько необычно для марсианского посадочного модуля иметь маяк X-диапазона?

Этот ответ на вопрос «Есть ли независимые доказательства того, что Китай высадил робота на Марс в мае 2021 года?» и обширный комментарий под ним указывает на то, что посадочный модуль Zhurong Mars имел маяк X-диапазона, информация, которая цитируется с https://destevez.net/2021/05/tianwen-1-landing/ , которая ссылается на этот твит .

Маяки, тоны, сердцебиения — это радиосигналы, которые практически не содержат закодированных данных, но их существование, амплитуда и особенно доплеровский сдвиг содержат огромное количество информации о состоянии космического корабля, ходе миссии и успешном выполнении орбитальных маневров, и за последние пять лет использовался как для демонстрации успехов, так и для вскрытия неудач при посадке.

Насколько мне известно, эти маяки работают на частотах VHF/UHF, например, у Perseverence было около 400 МГц. От:

Этот УКВ-тон имеет частоту около 400 МГц и ранее отслеживался обсерваторией Грин-Бэнк . Я не знаю, Грин Бэнк также получил его во время EDL или нет, но Марс в то время определенно находился высоко в небе (высота > 65°), так что это кажется вероятным.

У Скиапарелли было 401,6 МГц: прямое наблюдение ExoMars Schiaparelli на Земле с использованием GMRT (также здесь ).

По сути, пока вы находитесь значительно выше, скажем, 60 МГц , вы можете считать ионосферу достаточно прозрачной. Когда вы приблизитесь к плазменной частоте ионосферы, будет больше преломления, мерцаний и астрономических эффектов наблюдения, но, вероятно, все, что выше 100 или 150 МГц, должно быть в порядке.

Для связи в дальнем космосе, когда требуются высокие скорости передачи данных или точные измерения дальности, используются гораздо более высокие частоты. В первую очередь это связано с тем, что мощность принимаемого сигнала зависит от отношения диаметра передающей тарелки к длине волны (узость дифракционной картины луча по мере его распространения на миллионы и миллиарды километров). Точно так же эффективность приемной антенны не зависит линейно от длины волны, хотя узкий луч может в некоторых случаях улучшить соотношение сигнал/шум.

Вы должны быть осторожны, потому что отношение диаметра каждой антенны к длине волны используется для расчета коэффициентов усиления для каждой из них в рамках классического расчета бюджета канала, но это идиосинхронность того, как обычно выполняется бюджет канала, и есть λ 2 присутствует в «потерях пути в свободном пространстве», которые, как обычно думают, должны быть только 1 / р 2 .

В любом случае маяки обязательно передаются с помощью всенаправленных антенн, потому что мы не хотим ориентировать космический корабль, чтобы отправить их на Землю, поэтому эти передающие антенны не имеют значимых диаметров, и мы просто присваиваем им коэффициент усиления, близкий к 0 дБи (относительный децибел). к теоретическому изотропному излучателю).

Вопросы:

  1. Так почему же маяки традиционно работают в диапазоне УВЧ в таких низкочастотных диапазонах, что Deep Space Network даже не может их принять? Добавлять UFH-приемник к нескольким DSN-тарелкам не имеет смысла, но почему бы не поднять частоту маяков?
  • Труднее ли сделать изотропную передающую антенну, когда длины волн доходят до сантиметров?
  • Являются ли передатчики более тяжелыми, более дорогими, менее эффективными/надежными или иным образом нежелательными, скажем, в S-диапазоне или более высоких диапазонах X, Ku и Ka?
  • Это что-то совсем другое?
  1. Насколько необычно для марсианского посадочного модуля, такого как Чжуронг, иметь маяк X-диапазона?

Случайный факт: Iris V2.1 CubeSat Deep Space Transponder; Телекоммуникации и навигация в дальнем космосе X-, Ka-, S-Band и UHF (также здесь )

Я думал, что читаю ответ здесь. Подумайте об исключении того, что не является вопросом.
@Innovine информация выполняет две функции, необходимые для вопроса Stack Exchange: она поддерживает предпосылку вопроса и предоставляет доказательства исследования. Если людей устраивает и то, и другое, они могут сразу перейти к части, помеченной «Вопросы»: выделено жирным шрифтом, но некоторые из этих источников предоставляют ресурсы, которые могут быть полезны при формулировании ответа. Многие из моих вопросов довольно короткие, некоторые длинные. Этот конкретный длинный, потому что он действительно требует предпосылочной поддержки и доказательств предшествующих исследований. У меня есть опыт спрашивать здесь, и я знаю, что произойдет, если я их оставлю.
@Innovine Как написано, это также предотвращает бесполезные, неинформативные быстрые / краткие ответы, такие как «У них не так много данных, поэтому они могут позволить себе меньший выигрыш», которые могли бы легко сойти за ответ, если бы я не ограничил вопрос тщательно. Вот как раз такой пример шестинедельной давности.
Кажется, до сих пор это предотвратило все ответы.
@Innovine категорически не согласен: «пока»? Вопросу всего 5 часов , большинство людей в США еще даже не проснулись! "• Труднее ли сделать изотропную передающую антенну, когда длина волны сводится к сантиметрам? • Являются ли передатчики более тяжелыми, более дорогими, менее эффективными/надежными или иным образом нежелательными, скажем, в S-диапазоне или более высоких диапазонах X, Ku и Ka ? • Это что-то совсем другое?» Я хватаюсь за соломинку, все, что нужно, это чтобы кто-то знающий или находчивый узнал. Это полная противоположность предотвращению ответов.
@Innovine есть несколько действительно знающих авторов ответов, которые даже не заходят в систему каждый день, возможно, некоторые только по выходным. Я уверен (основываясь на нескольких тысячах предыдущих вопросов здесь), что ответы будут получены. Давай просто дадим ему немного времени.
Я видел, как ответы принимаются менее чем за 5 часов: p
Включает ли маяк анализ дальности и других навигационных сигналов?
@ BrendanLuke15 Проверьте мое 2-е предложение. «Маяки, тоны, сердцебиения — это радиосигналы, которые практически не содержат закодированных данных, но их существование, амплитуда и особенно доплеровский сдвиг содержат массу информации о состоянии космического корабля, ходе миссии и успешном выполнении орбитальных маневров. ..." Допплер линии визирования помогает, но на самом деле не отслеживает. Проверьте еще раз мое более позднее предложение: «Для связи в дальнем космосе, когда требуются высокие скорости передачи данных или точные измерения скорости дальности , используются гораздо более высокие частоты».

Ответы (1)

Я не думаю, что системы УВЧ на Марсе предназначены для использования в качестве «маяков», это просто следствие существующей инфраструктуры УВЧ на Марсе и желания оператора выжать больше информации из своего космического корабля.

Возьмите некоторые из примеров, перечисленных в вопросе; Скиапарелли и Марс 2020/Настойчивость:

В документе [ 1 ] о наблюдениях EDM ExoMars Schiaparelli с гигантского радиотелескопа Metrewave (GMRT), связанного с вопросом, говорится:

У Schiaparelli нет возможности прямой связи с Землей, и он полагается на марсианские орбитальные аппараты для ретрансляции своей УВЧ-связи обратно на Землю.

Кроме того, в этом сообщении в блоге ESA [ 2 ] говорится:

Сигнал наверняка будет очень слабым — Скиапарелли никогда не предназначался для передачи на всю дорогу до Земли. Таким образом, отслеживание GMRT Скиапарелли во многом является экспериментом — «хорошо иметь», чтобы мы могли наблюдать за спуском в режиме реального времени. [выделено мной]

Так что это не преднамеренный «маяк», как указано в вопросе (я думаю), а скорее операторы, пытающиеся найти другой источник информации о своем космическом корабле, создавая « маяк » из сигнала. Передача UHF отправляла фактические данные на орбитальные аппараты для прослушивания, а GMRT просто пытался уловить гораздо более сильную несущую частоту для доплеровского анализа.

Я думаю, что важно отметить различие между описанным выше сценарием и явным, преднамеренным сигналом/устройством «маяка».

Для MSL/Curiosity и Mars 2020/Perseverance я чувствую ту же тему [ 3 ]:

существует возможность контролировать сигнал УВЧ с крупной наземной станции, такой как радиотелескоп Грин-Бэнк в Западной Вирджинии.

[ 4 ]:

Уилл Арментраут, ученый проекта обсерватории Грин-Бэнк для Perseverance [...] Когда его спросили, что он будет делать для посадки Perseverance в 2021 году, Арментраут ответил: «Поддерживать контроль GBT, молиться, чтобы мы увидели этот сигнал ». [выделено мной]

Источник [ 3 ] представляет собой фантастическую (и, осмелюсь сказать, окончательный источник) статью DESCANSO о проектировании телекоммуникационных систем MSL/Curiosity и, соответственно, Perseverance . Интересно, что поиск в документе по словам «beacon» и «heartbeat» не дал результатов . «Тон» дает 54 результата:

  • Золотой тон : 15 (станция DSN)
  • Тоны DOR: 1 (исключены из объема вопроса)
  • Direct-To-Earth (DTE) «семафоры, так называемые тоны с множественной частотной манипуляцией (MFSK)» [ 3 ]: 36 (я думаю, что исключено из объема вопроса)

Эти «тона» DTE относятся к X-диапазону [ 3 ]. Они не маяк.

Являются ли передатчики [хуже] на [более высоких частотах]:

Нет, они кажутся очень похожими, вот некоторые из тех, для которых я смог найти спецификации ( удачи в сравнении стоимости ):

Единица: Диапазон частот: Масса: Электричество: Размер: Источник:
Высокоскоростной передатчик T-748 Х и Ка < 5,4 фунта < 30 Вт 6,325 дюйма Д x 7,1 дюйма Ш x 4,0 дюйма В [5]
Электра УВЧ трансивер УВЧ 4,9 кг 68 Вт (прием), 18,4 Вт (только прием) 17,2 см (Ш) x 21,9 см (Д) x 14,0 см (В) [6]
(C/TT-510) Электра-Лайт УВЧ 3 кг / 6,61 фунта (типичное значение) 65 Вт (прием, тип.), 15 Вт в режиме ожидания 6,35 дюйма Ш x 8 дюймов Д x 4,11 дюйма В [7]
C/TT-520 Многомодовый транспондер S-диапазона С 6,5 фунтов (2,95 кг) без диплексера, < 9,0 фунтов с диплексером < 8 Вт макс. (только прием), < 80 Вт (прием) 8,6 дюйма (Д) x 4,1 дюйма (Ш) x 4,6 дюйма (В) без диплексора, 9,5 дюйма (Д) x 5,7 дюйма (Ш) x 4,6 дюйма (В) с диплексером [8]
Высокоскоростной передатчик (HRT150) Ку 5 фунтов максимум 47 Вт макс. 8,0 "Д x 6,6" Ш x 3,2 "В макс. [9]
Транспондер S-диапазона TDRSS / DSN С 10,7 фунтов (4,9 кг) макс. 13,8 Вт (только прием, номинал), 18 Вт (прием, номинал) 7,575"Д x 8,92"Ш x 6,00"В [10]
Многорежимный стандартный транспондер (MST), сертифицированный для использования в космосе С < 6,0 фунтов < 10 Вт (только прием), 44–46 Вт (передача) 9,40 дюйма х 7,30 дюйма х 2,30 дюйма [11]
Малый дальний космический транспондер (SDST) Х и Ка 7,0 фунтов (3,2 кг) макс. 12,5 Вт (только прием), 19,5 Вт (прием) 7,13 "Д х 6,55" Ш х 4,50 "В [12]

Насколько необычно для марсианского посадочного модуля, такого как Zhurong, иметь маяк X-диапазона:

По поставленному вопросу я бы сказал очень необычному . В смысле выделенного маякового сигнала/устройства, а не в смысле X-диапазона. Указанная информация, которую можно получить из маякового сигнала, в равной степени доступна из любого сигнала с космического корабля, так почему бы не получить эту информацию в сочетании с телеметрией?

Источники:

[1]: Прямые наблюдения ExoMars Schiaparelli с Земли с использованием GMRT, Esterhuizen et al. (2019)

[2]: ПРОСЛУШИВАНИЕ ПРИЗЕМЛЕНИЯ ПРИШЕЛЬЦА, Даниэль Скука (2016)

[3]: DESCANSO Design and Performance Summary Series Article 14 Mars Science Laboratory Telecom Design System, Makovsky et al. (2009)

[4]: Марсоход звонит домой, ответы телескопа Грин-Бэнк

[5]: Высокоскоростной передатчик L3 Harris T-748.

[6]: Полезная нагрузка Electra Proximity Link для телекоммуникаций и навигации Mars Relay, Edwards et al.

[7]: Приемопередатчик L3 Harris C/TT-510 Electra-Lite

[8]: Транспондер L3 Harris C/TT-520 S-диапазона

[9]: Передатчик General Dynamics HRT150 Ku-диапазона

[10]: Транспондер S-диапазона General Dynamics (SBT)

[11]: Многорежимный стандартный транспондер General Dynamics (MST)

[12]: Малый дальний космический транспондер General Dynamics (SDST)

Спасибо за ваш ответ! Я хочу возразить, но, похоже, не могу :-) Я хотел бы "верить" в маяки, поэтому потребуется некоторое время, чтобы привыкнуть к мысли, что они не так уж важны, как я думал. . Такой красиво написанный, тщательно исследованный и тщательно проверенный ответ. Это получает+n!
@uhoh это хорошо, я все еще верю в планету Плутон! ;)
Почему «маяки» дальнего космоса обычно UHF, настолько низкие (по частоте), что DSN их не слышит? И насколько необычно для марсианского посадочного модуля иметь маяк X-диапазона?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v